Stop tytanu odnosi się do różnych metali stopowych wykonanych z tytanu i innych metali. Tytan jest ważnym metalem konstrukcyjnym opracowanym w latach pięćdziesiątych XX wieku. Stop tytanu ma wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na korozję i wysoką odporność na ciepło. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku główny nacisk położono na rozwój wysokotemperaturowych stopów tytanu do silników lotniczych oraz konstrukcyjnych stopów tytanu do kadłubów.
W latach 70. opracowano serię odpornych na korozję stopów tytanu. Od lat 80. XX wieku stale rozwijane są odporne na korozję stopy tytanu i stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości. Stopy tytanu wykorzystywane są głównie do produkcji części sprężarek silników lotniczych, a następnie rakiet, pocisków rakietowych i części konstrukcyjnych samolotów szybkich.
Tytan jest ważnym metalem konstrukcyjnym opracowanym w latach pięćdziesiątych XX wieku. Stopy tytanu są szeroko stosowane w różnych dziedzinach ze względu na ich wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na korozję i wysoką odporność na ciepło. Wiele krajów na świecie dostrzegło znaczenie materiałów ze stopów tytanu i sukcesywnie prowadziło nad nimi prace badawczo-rozwojowe oraz uzyskało praktyczne zastosowania.
Pierwszym praktycznym stopem tytanu był stop Ti-6Al-4V opracowany z sukcesem w Stanach Zjednoczonych w 1954 roku. Ze względu na dobrą odporność na ciepło, wytrzymałość, plastyczność, wytrzymałość, odkształcalność, spawalność, odporność na korozję i biokompatybilność, stał się wiodącym stopem w branży stopów tytanu. Zastosowanie tego stopu stanowi od 75% do 85% wszystkich stopów tytanu. Wiele innych stopów tytanu można uznać za modyfikacje stopu Ti-6Al-4V.
W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku głównym przedmiotem zainteresowania był rozwój wysokotemperaturowych stopów tytanu do silników lotniczych oraz konstrukcyjnych stopów tytanu do kadłubów. W latach 70. opracowano szereg odpornych na korozję stopów tytanu. Od lat 80. XX wieku stale rozwijane są odporne na korozję stopy tytanu i stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości. Temperatura stosowania żaroodpornych stopów tytanu wzrosła z 400 stopni w latach pięćdziesiątych XX wieku do 600-650 stopni w latach dziewięćdziesiątych. Pojawienie się stopów na bazie A2 (Ti3Al) i r (TiAl) spowodowało konieczność stosowania tytanu w silniku od zimnej części silnika (wentylator i sprężarka) do gorącej części (turbina) silnika. Konstrukcyjne stopy tytanu rozwijają się w kierunku wysokiej wytrzymałości, wysokiej plastyczności, wysokiej wytrzymałości i udarności, wysokiego modułu i wysokiej tolerancji na uszkodzenia.
Ponadto od lat 70. XX wieku pojawiły się również stopy z pamięcią kształtu, takie jak Ti-Ni, Ti-Ni-Fe i Ti-Ni-Nb, które są coraz szerzej stosowane w inżynierii.
Na świecie opracowano setki stopów tytanu, a najbardziej znane stopy to stopy od 20 do 30, takie jak Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2. 5Sn, Ti-2Al-2.5Zr, Ti-32Mo, Ti-Mo-Ni, Ti-Pd, SP-700, Ti-6242, Ti -10-5-3, Ti-1023, BT9, BT20, IMI829, IMI834 itd. [2,4].
Według odpowiednich statystyk ilość tytanu wykorzystywanego w przemyśle chemicznym mojego kraju osiągnęła 25,000 ton w 2012 r., co oznacza spadek w porównaniu z 2011 r. Po raz pierwszy od czasu rynek tytanu chemicznego w moim kraju odnotował ujemny wzrost 2009. W ostatnich latach największym odbiorcą materiałów do obróbki tytanu był przemysł chemiczny, którego zużycie zawsze stanowiło ponad 50% całkowitego zużycia tytanu, a w roku 2011 aż 55%. Jednakże w związku z pogorszeniem koniunktury gospodarczej, przemysł chemiczny nie tylko odnotował znaczną redukcję nowych projektów, ale także stanie w obliczu restrukturyzacji przemysłu, w ramach której kontrolowane będą nowe moce produkcyjne niektórych produktów i stopniowo eliminowane będą przestarzałe moce produkcyjne. W związku z tym oczywistością stało się zmniejszanie się wykorzystania materiałów do obróbki tytanu. Wcześniej znawcy branży przewidywali, że szczytowe wykorzystanie tytanu w przemyśle chemicznym osiągnie w latach 2013–2015. Sądząc po bieżących wynikach rynku, ogólna słabość gospodarcza w 2012 r. może przyspieszyć spadek zużycia tytanu w przemyśle chemicznym.
Tytan to nowy rodzaj metalu. Wydajność tytanu jest związana z zawartością zanieczyszczeń, takich jak węgiel, azot, wodór i tlen. Najczystszy jodek tytanu ma zawartość zanieczyszczeń nie większą niż 0,1%, ale ma niską wytrzymałość i wysoką plastyczność. Właściwości 99,5% czystego tytanu przemysłowego to: gęstość ρ=4,5g/cm3, temperatura topnienia 1725 stopni, przewodność cieplna λ=15,24W/(mK), wytrzymałość na rozciąganie σb=539 MPa, wydłużenie δ=25%, skurcz w przekroju poprzecznym ψ=25%, moduł sprężystości E=1.078×105MPa, twardość HB195.
Wysoka wytrzymałość: Gęstość stopu tytanu wynosi zazwyczaj około 4,51 g/cm3, co stanowi tylko 60% stali. Niektóre stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości przekraczają wytrzymałość wielu stali konstrukcyjnych stopowych. Dlatego też wytrzymałość właściwa (wytrzymałość/gęstość) stopu tytanu jest znacznie większa niż w przypadku innych metalowych materiałów konstrukcyjnych i można wytwarzać części o wysokiej wytrzymałości jednostkowej, dobrej sztywności i lekkości. Elementy silników lotniczych, szkielety, poszycia, elementy złączne i podwozie wykorzystują stopy tytanu.
Wysoka wytrzymałość termiczna
Temperatura pracy jest o kilkaset stopni wyższa niż w przypadku stopu aluminium. Może nadal utrzymywać wymaganą wytrzymałość w średniej temperaturze i może pracować przez długi czas w temperaturze 450-500. Te dwa rodzaje stopów tytanu nadal mają wysoką wytrzymałość właściwą w zakresie 150 stopni -500 stopni, podczas gdy wytrzymałość właściwa stopu aluminium znacznie spada w temperaturze 150 stopni. Temperatura robocza stopu tytanu może osiągnąć 500 stopni, podczas gdy stopu aluminium jest poniżej 200 stopni.
Dobra odporność na korozję
Stop tytanu działa w wilgotnej atmosferze i środowisku wody morskiej, a jego odporność na korozję jest znacznie lepsza niż stali nierdzewnej; ma szczególnie dużą odporność na wżery, korozję kwasową i korozję naprężeniową; ma doskonałą odporność na korozję na alkalia, chlorki, chlorowe substancje organiczne, kwas azotowy, kwas siarkowy itp. Tytan ma jednak słabą odporność na korozję w środowisku redukującego tlenu i soli chromu.
Dobra wydajność w niskich temperaturach
Stop tytanu może nadal utrzymywać swoje właściwości mechaniczne w niskich i bardzo niskich temperaturach. Stopy tytanu charakteryzujące się dobrą odpornością na niskie temperatury i wyjątkowo niską zawartością elementów międzywęzłowych, takie jak TA7, mogą nadal utrzymywać pewną plastyczność w stopniu -253. Dlatego stop tytanu jest również ważnym materiałem konstrukcyjnym niskotemperaturowym.
Wysoka aktywność chemiczna
Tytan ma wysoką aktywność chemiczną i silnie reaguje z O2, N2, H2, CO, CO2, parą wodną, amoniakiem itp. w atmosferze. Gdy zawartość węgla jest większa niż 0,2%, w stopie tytanu utworzy się twardy TiC; gdy temperatura jest wysoka, podczas reakcji z N utworzy również twardą warstwę powierzchniową TiN; powyżej 600 stopni tytan pochłania tlen, tworząc utwardzoną warstwę o dużej twardości; gdy zawartość wodoru wzrośnie, utworzy się również krucha warstwa. Głębokość twardej i kruchej warstwy powierzchniowej powstałej w wyniku absorpcji gazu może sięgać 0,1-0,15 mm, a stopień utwardzenia wynosi 20%-30%. Tytan ma również duże powinowactwo chemiczne i jest podatny na adhezję z powierzchnią cierną.
Elastyczność o niskiej przewodności cieplnej
Przewodność cieplna tytanu wynosi λ=15,24 W/(m·K), co stanowi około 1/4 niklu, 1/5 żelaza i 1/14 aluminium, podczas gdy przewodność cieplna różnych tytanów stopów jest o około 50% niższa niż w przypadku tytanu. Moduł sprężystości stopu tytanu wynosi około 1/2 modułu stali, dlatego ma słabą sztywność i jest łatwy do odkształcenia. Nie nadaje się do wykonywania smukłych prętów i elementów cienkościennych. Odbicie obrabianej powierzchni podczas skrawania jest bardzo duże, około 2 do 3 razy większe niż w przypadku stali nierdzewnej, powodując poważne tarcie, przyczepność i zużycie wiązania na tylnej powierzchni narzędzia.
Stop tytanu ma wysoką wytrzymałość i niską gęstość, dobre właściwości mechaniczne oraz dobrą wytrzymałość i odporność na korozję. Ponadto stop tytanu ma słabą wydajność procesu i jest trudny do cięcia. Podczas obróbki na gorąco bardzo łatwo wchłaniają się zanieczyszczenia, takie jak wodór, tlen, azot i węgiel. Ma również słabą odporność na zużycie i złożone procesy produkcyjne. Przemysłową produkcję tytanu rozpoczęto w 1948 roku. Potrzeby rozwoju przemysłu lotniczego spowodowały, że przemysł tytanowy rozwijał się w średniorocznym tempie wzrostu około 8%. Roczna produkcja materiałów do obróbki stopów tytanu na świecie osiągnęła ponad 40000 ton, a istnieje prawie 30 gatunków stopów tytanu. Najszerzej stosowanymi stopami tytanu są Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) oraz czysty tytan przemysłowy (TA1, TA2 i TA3).
Stopy tytanu wykorzystywane są głównie do produkcji części sprężarek silników lotniczych, a następnie rakiet, pocisków rakietowych i części konstrukcyjnych samolotów szybkich. W połowie-1960tytanu i jego stopów używano w przemyśle ogólnym do produkcji elektrod dla przemysłu elektrolizy, skraplaczy w elektrowniach, grzejników do rafinacji ropy naftowej i odsalania wody morskiej oraz urządzeń kontrolujących zanieczyszczenie środowiska. Tytan i jego stopy stały się materiałem konstrukcyjnym odpornym na korozję. Ponadto wykorzystuje się je również do produkcji materiałów do magazynowania wodoru i stopów z pamięcią kształtu.
Chiny rozpoczęły badania nad tytanem i stopami tytanu w 1956 roku; w połowie-1960rozpoczęto przemysłową produkcję materiałów tytanowych i opracowano stopy TB2.
Stop tytanu jest nowym ważnym materiałem konstrukcyjnym stosowanym w przemyśle lotniczym. Jego ciężar właściwy, wytrzymałość i temperatura pracy plasują się pomiędzy aluminium a stalą, ale jest mocniejszy niż aluminium i stal i ma doskonałą odporność na korozję w wodzie morskiej i działanie w bardzo niskich temperaturach. W 1950 roku Stany Zjednoczone po raz pierwszy zastosowały go w myśliwcu bombowym F-84 jako elementy nienośne, takie jak osłony termiczne tylnego kadłuba, osłony prowadnic wiatru i osłony ogona. Od lat sześćdziesiątych XX wieku zaczęto stosować stopy tytanu z tylnej części kadłuba na środkowy kadłub i częściowo zastąpiono stal konstrukcyjną do produkcji ważnych elementów nośnych, takich jak grodzie, belki i szyny klap. Zastosowanie stopów tytanu w samolotach wojskowych gwałtownie wzrosło, osiągając 20% do 25% masy konstrukcji samolotu. Od lat 70. XX wieku w cywilnych samolotach zaczęto stosować stopy tytanu w dużych ilościach. Na przykład samolot pasażerski Boeing 747 zużywa ponad 3640 kilogramów tytanu. Samoloty o liczbie Macha większej niż 2,5 wykorzystują tytan głównie do zastąpienia stali w celu zmniejszenia masy konstrukcyjnej. Na przykład w amerykańskim wysokogórskim i szybkim samolocie rozpoznawczym SR-71 (liczba Macha lotu 3, wysokość lotu 26 212 metrów) tytan stanowi 93% masy konstrukcji samolotu, co jest tzw. -tytanowy" samolot. Kiedy stosunek ciągu do masy silnika lotniczego wzrasta z 4-6 do 8-10, a temperatura na wylocie sprężarki wzrasta z 200-300 stopnia do 500-600 stopnia, wówczas tarcze i łopatki sprężarki ciśnieniowej oryginalnie wykonane z aluminium należy wymienić na stopy tytanu lub zastosować stopy tytanu zamiast stali nierdzewnej do wykonania tarcz i łopatek sprężarki wysokociśnieniowej w celu zmniejszenia ciężaru konstrukcji. W latach 70. XX w. ilość stopu tytanu stosowanego w silnikach lotniczych stanowiła na ogół od 20% do 30% całkowitej masy konstrukcji i był używany głównie do produkcji części sprężarek, takich jak kute wentylatory tytanowe, tarcze i łopatki sprężarek, odlewy tytanowe obudowy sprężarek, obudowy pośrednie, osłony łożysk itp. Statki kosmiczne wykorzystują głównie wysoką wytrzymałość właściwą, odporność na korozję i odporność na niskie temperatury stopów tytanu do produkcji różnych zbiorników ciśnieniowych, zbiorników paliwa, elementów złącznych, pasków przyrządów, ram i obudów rakiet. Satelity sztucznej Ziemi, moduły księżycowe, załogowe statki kosmiczne i promy kosmiczne również wykorzystują części spawane z blachy ze stopu tytanu.
Cięcie, wiercenie i gwintowanie stopów tytanu stawiają szczególnie wysokie wymagania narzędziom skrawającym, wiertarkom do obróbki otworów i gwintownikom: Gdy twardość stopu tytanu jest większa niż HB350, cięcie jest szczególnie trudne. Gdy jest mniejszy niż HB300, łatwo przylega do narzędzia i jest również trudny do cięcia. Jednakże twardość stopu tytanu to tylko jeden z aspektów trudności w skrawaniu. Kluczem jest kompleksowy wpływ właściwości chemicznych, fizycznych i mechanicznych samego stopu tytanu na jego podatność na obróbkę skrawaniem. Stop tytanu ma następujące właściwości skrawania:
(1) Mały współczynnik odkształcenia: Jest to istotna cecha cięcia stopu tytanu. Współczynnik odkształcenia jest mniejszy lub bliski 1. Droga tarcia ślizgowego wióra na przedniej krawędzi skrawającej znacznie się zwiększa, co przyspiesza zużycie narzędzia.
(2) Wysoka temperatura skrawania: Ponieważ przewodność cieplna stopu tytanu jest bardzo mała (odpowiada jedynie 1/5 do 1/7 stali 45), długość styku pomiędzy wiórem a przednią krawędzią skrawającą jest wyjątkowo krótka. Ciepło powstające podczas skrawania nie jest łatwo przenoszone i koncentruje się w niewielkim obszarze w pobliżu obszaru skrawania i krawędzi skrawającej. Temperatura cięcia jest bardzo wysoka. W tych samych warunkach skrawania temperatura skrawania może być ponad dwukrotnie wyższa niż w przypadku stali 45.
(3) Duża siła skrawania na jednostkę powierzchni: Główna siła skrawania jest o około 20% mniejsza niż przy cięciu stali. Ponieważ długość styku pomiędzy wiórem a przednią krawędzią skrawającą jest wyjątkowo mała, siła skrawania na jednostkę powierzchni styku znacznie wzrasta, co łatwo powoduje wykruszanie. Jednocześnie, ze względu na mały moduł sprężystości stopu tytanu, łatwo jest wywołać odkształcenie zginające pod wpływem siły promieniowej podczas obróbki, powodując wibracje, zwiększając zużycie narzędzi i wpływając na dokładność części. Dlatego system procesowy powinien mieć dobrą sztywność.
(4) Poważne zjawisko hartowania na zimno: Ze względu na wysoką aktywność chemiczną tytanu łatwo jest absorbować tlen i azot z powietrza, tworząc twardą i kruchą powłokę zewnętrzną w wysokiej temperaturze skrawania; jednocześnie odkształcenie plastyczne podczas cięcia spowoduje również utwardzenie powierzchni. Zjawisko hartowania na zimno nie tylko zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową części, ale także zwiększa zużycie narzędzi. Jest to bardzo ważna cecha przy cięciu stopu tytanu.
(5) Narzędzie jest łatwe w noszeniu: po obróbce półfabrykatu poprzez tłoczenie, kucie, walcowanie na gorąco i innymi metodami tworzy się twarda i krucha, nierówna powłoka zewnętrzna, która bardzo łatwo powoduje odpryski, powodując usunięcie twardej skóry najtrudniejszy proces w obróbce stopów tytanu. Dodatkowo, ze względu na duże powinowactwo chemiczne stopu tytanu do materiałów narzędziowych, w warunkach wysokiej temperatury skrawania i dużej siły skrawania na jednostkę powierzchni, narzędzie jest podatne na zużycie adhezyjne. Podczas toczenia stopu tytanu zużycie przedniej krawędzi skrawającej jest czasami nawet poważniejsze niż tylnej krawędzi skrawającej; gdy prędkość posuwu f<0.1 mm/r, the wear mainly occurs on the back cutting edge; when f>{{0}},2 mm/obr., przednia krawędź skrawająca będzie zużyta; w przypadku stosowania narzędzi węglikowych do toczenia wykańczającego i półwykończeniowego zużycie tylnej krawędzi skrawającej jest bardziej odpowiednie, gdy VBmax jest mniejsze niż 0,4 mm.
Podczas frezowania, ze względu na niską przewodność cieplną materiałów ze stopów tytanu i wyjątkowo małą długość styku wiórów z przednią krawędzią skrawającą, ciepło powstające podczas skrawania nie jest łatwo przekazywane i koncentruje się w niewielkim obszarze w pobliżu skrawania strefę odkształcenia i krawędź skrawającą. Podczas obróbki krawędź skrawająca będzie generować wyjątkowo wysokie temperatury skrawania, co znacznie skraca żywotność narzędzia. W przypadku stopu tytanu Ti6Al4V, w warunkach, na jakie pozwala wytrzymałość narzędzia i moc obrabiarki, kluczowym czynnikiem wpływającym na trwałość narzędzia, a nie wielkość siły skrawania, jest poziom temperatury skrawania.
Materiały narzędziowe
Cięcie stopów tytanu należy rozpocząć od obniżenia temperatury cięcia i zmniejszenia przyczepności. Należy wybierać materiały narzędziowe o dobrej twardości czerwonej, dużej wytrzymałości na zginanie, dobrej przewodności cieplnej i słabym powinowactwie do stopów tytanu. Bardziej odpowiedni jest węglik spiekany YG. Ponieważ stal szybkotnąca ma słabą odporność cieplną, należy w miarę możliwości stosować narzędzia wykonane z węglika spiekanego. Powszechnie stosowane materiały narzędziowe z węglika spiekanego obejmują YG8, YG3, YG6X, YG6A, 813, 643, YS2T i YD15.
Ostrza powlekane i węgliki spiekane typu YT będą miały silne powinowactwo ze stopami tytanu, pogarszając zużycie wiązania narzędzia i nie nadają się do cięcia stopów tytanu; do skomplikowanych narzędzi wieloostrzowych, stali szybkotnącej wysokowanadowej (np. W12Cr4V4Mo), stali szybkotnącej kobaltowej (np. W2Mo9Cr4VCo8) lub aluminiowej stali szybkotnącej (np. W6Mo5Cr4V2Al, M10Mo4Cr4V3Al) i innych materiałów narzędziowych można wybrać, które nadają się do wykonywania wierteł, rozwiertaków, frezów palcowych, przeciągaczy, gwintowników i innych narzędzi do cięcia stopów tytanu.
Stosowanie diamentu i sześciennego azotku boru jako narzędzi do cięcia stopów tytanu może osiągnąć znaczące wyniki. Na przykład przy użyciu narzędzi z diamentu naturalnego w warunkach chłodzenia emulsją prędkość skrawania może osiągnąć 200 m/min; jeśli nie stosuje się chłodziwa, dopuszczalna prędkość skrawania wynosi tylko 100 m/min przy tym samym stopniu zużycia.
Środki ostrożności
Podczas procesu cięcia stopu tytanu należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:
(1) Ze względu na mały moduł sprężystości stopu tytanu, odkształcenia zaciskowe i odkształcenia naprężeniowe przedmiotu obrabianego podczas obróbki są duże, co zmniejszy dokładność obróbki przedmiotu obrabianego; siła mocowania nie powinna być zbyt duża podczas montażu przedmiotu obrabianego, a w razie potrzeby można dodać podporę pomocniczą.
(2) Jeśli używany jest płyn obróbkowy zawierający wodór, podczas procesu cięcia ulegnie on rozkładowi i uwolni w wysokiej temperaturze wodór, który zostanie wchłonięty przez tytan i spowoduje kruchość wodorową; może również powodować pękanie korozyjne naprężeniowe w wysokiej temperaturze stopu tytanu.
(3) Chlorki w płynie obróbczym mogą również rozkładać się lub wydzielać toksyczne gazy podczas użytkowania. Podczas korzystania z niego należy podjąć środki bezpieczeństwa, w przeciwnym razie nie należy go używać; po cięciu części należy dokładnie oczyścić środkiem czyszczącym niezawierającym chloru, w odpowiednim czasie, aby usunąć pozostałości zawierające chlor.
(4) Do kontaktu ze stopami tytanu nie wolno używać narzędzi i osprzętu wykonanych ze stopów ołowiu lub cynku. Zabroniona jest także miedź, cyna, kadm i ich stopy.
(5) Wszystkie narzędzia, osprzęt i inne urządzenia mające kontakt ze stopami tytanu muszą być czyste; należy chronić oczyszczone części ze stopu tytanu przed zanieczyszczeniem tłuszczem lub odciskami palców, w przeciwnym razie mogą one w przyszłości spowodować korozję naprężeniową soli (chlorku sodu).
(6) W normalnych warunkach podczas cięcia stopów tytanu nie ma ryzyka zapłonu. Tylko przy cięciu niewielkiej ilości stopów tytanu, cięcie
Tylko drobne wióry pod maszyną mogą się zapalić i spalić. Aby uniknąć pożaru, oprócz polania dużej ilości chłodziwa, należy także zapobiec gromadzeniu się wiórów na obrabiarce, wymienić narzędzie natychmiast po jego stępieniu lub zmniejszyć prędkość skrawania i zwiększyć posuw prędkość, aby zwiększyć grubość wióra. W przypadku pożaru do jego ugaszenia należy użyć talku, proszku wapiennego, suchego piasku i innego sprzętu gaśniczego. Surowo zabrania się używania gaśnic czterochlorkowych i dwutlenkowych węgla, a także nie należy polewać wodą, ponieważ woda może przyspieszyć spalanie, a nawet spowodować wybuch wodoru.
